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摘要
断裂是一个跨尺度复杂的物理过程，对宏观尺度的断裂行为已有深入的研究和发展，然而对微观尺度的断裂行为及断裂过程中应力场的变化缺乏深入的理解。本文通过分子动力学模拟，研究了具有不同初始缺陷(尖锐裂纹、钝裂纹和孔洞)的单晶镍的断裂行为和应力分布特征。结果表明，不同的初始缺陷导致了不同的断裂机制、断裂强度和抗断裂性能。含初始孔洞的单晶镍样品有最高的断裂强度和最强的抗断裂性能，这与孔洞扩展过程中堆积层错的形成密切相关。其次是含初始钝裂纹的样品，在裂纹扩展过程中出现由[100]超位错发射引起的裂尖钝化；含尖锐裂纹的样品表现为脆性断裂，裂尖原子没有出现微结构的变化，其强度和抗断裂性能最低。此外，不同的初始缺陷也会导致断裂过程中应力分布的变化，对含有尖锐裂纹的脆性断裂试样，高应力(拉伸应力、平均应力和米塞斯应力)总是出现在扩展裂纹的裂尖。而对于含有钝裂纹或孔洞的韧性断裂试样，高应力不仅分布在裂尖，也分布在位错发射和堆积层错形成的区域，在裂纹/孔洞扩展之前，应力随着加载时间的增加而迅速增加，而一旦裂纹或孔洞开始扩展，应力增加非常缓慢或几乎不增加，但拉伸应力值始终大于平均应力和米塞斯应力值。这表明，在I型加载条件下，纳米尺度下材料的断裂由拉应力(正应力)控制。
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